LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Xin kính chúc sức khỏe và chân thành cảm ơn! Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013 Học viên thực hiện Trần Thiện Tƣờng ii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin gởi đến thầy TS.
Vũ Phan Tú lời cảm ơn chân thành và xâu sắc nhất. Trong thời gian qua, thầy luôn là ngƣời đề ra phƣơng hƣớng, hết lòng chỉ bảo, tận tình hƣớng dẫn để tôi hoàn thành cuốn luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn quí Thầy Cô trong ban giám hiệu, Khoa Điện – Điện tử, phòng Quản lý đào tạo - bộ phận sau đại học và thƣ viện Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.HCM đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Xin cảm ơn ba mẹ, anh chị em trong gia đình đã luôn luôn động viên, khuyến khích và tạo mọi điều kiện cho con em đƣợc tiếp tục học tập nghiên cứu.
Sau cùng, tôi cũng gởi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy Cô giáo, các đồng nghiệp, các anh em và tất cả bạn bè đã giúp đỡ, động viên, góp ý xây dựng trong thời gian nghiên cứu, học tập và thực hiện luận văn này. Xin kính chúc sức khỏe và chân thành cảm ơn! Tp. Hồ Chí Minh, Tháng 10 năm 2013 Học viên thực hiện Trần Thiện Tƣờng iii TÓM TẮT Ngày nay, hầu hết các công nghệ phát điện mới của các nƣớc trên thế giới đƣợc hòa vào mạng lƣới phân phối điện và điều này dẫn đến một sự gia tăng đáng kể công suất truyền tải. Nâng cấp và xây dựng mới một đƣờng dây thƣờng là tốn kém cho các nhà khai thác mạng.
Do đó, chúng ta cần phải đánh giá khả năng mang tải của các đƣờng dây trên không hiện có với các điều kiện khí hậu và môi trƣờng lắp đặt để có thể vận hành đƣờng dây truyền tải và phân phối ở dòng cao hơn so với giới hạn dòng điện cho phép của nhà thiết kế. Trong luận văn này, chúng tôi tính toán khả năng mang tải của đƣờng dây trên không ( Dây nhôm và nhôm lõi thép) bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn dựa trên nền tản của phần mềm Comsol Multiphysics. Phần đầu của luận văn, chúng tôi tìm hiểu tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, giới thiệu về phƣơng pháp phần tử hữu hạn và phần mềm Comsol Multyphysics. Phần hai của luận văn giới thiệu trƣờng nhiệt và khả năng mang tải của đƣờng dây trên không.
Phần ba của luận văn tính toán trƣờng nhiệt xung quanh dây dẫn cũng nhƣ xem xét các yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng mang tải của đƣờng dây trên không nhƣ là gió, hƣớng gió, nhiệt độ môi trƣờng, hệ số bức xạ, hệ số hấp thụ… Ngoài ra, chúng tôi cũng tính toán lại khả năng mang tải của đƣờng dây trên không dƣới ảnh hƣởng của điều kiện khí hậu ở các vùng miền của Việt Nam. Phần cuối của luận văn đƣa ra các kết luận, hạn chế và hƣớng phát triển của đề tài. iv ABSTRACT Today, most of the new power generation technology in the world that the country was on the air distribution network and this leads to a significant increase in transmission capacity. Upgrade and build a line is often costly for network operators.
Therefore, we need to evaluate the load carrying capacity of existing overhead lines to the climatic conditions and the environment can be installed to operate transmission lines and distribution lines higher than current limit allows the designers. In this thesis, we calculate the load carrying capacity of overhead lines (aluminum cable and steel core aluminum cable) using the finite element method based on the software platforms of Comsol Multiphysics. The first part of the thesis, we find out an overview of the field of research, introduction to finite element methods and software Comsol Multyphysics. The second part of the thesis introduces the heat and load carrying capacity of overhead lines.
The third part of the thesis calculates the temperature around the wire as well as considering the factors affecting the load carrying capacity of overhead lines as wind, wind direction, ambient temperature, radiation coefficient, absorbance coefficient etc. In addition, we also calculated the load carrying capacity of overhead lines under the influence of climatic conditions in the region of Vietnam. The last part of the thesis to draw conclusions, limitations and development of the subject. v MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC.
i LỜI CAM ĐOAN. ii LỜI CẢM ƠN. vi CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN. x DANH SÁCH CÁC HÌNH.
xi DANH SÁCH CÁC BẢNG. xiv Chƣơng 1.1 Giới thiệu vấn đề.2 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu.1 Các phƣơng pháp lý thuyết hiện tại để đánh giá trạng thái nhiệt của đƣờng dây trên không.1 Ảnh hƣởng của độ võng vào giới hạn nhiệt của dây dẫn .2 Ảnh hƣởng của các thông số vật lý lên nhiệt độ của dây dẫn .3 Các điều tra thực nghiệm và thực hiện các phƣơng pháp số cho đánh giá trạng thái nhiệt của dây dẫn.3 Kết luận về các công trình đã nghiên cứu. 3 Lý do chọn đề tài. 4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài .5 Phạm vi nghiên cứu và điểm mới của đề tài .1 Phạm vi nghiên cứu của đề tài.2 Điểm mới của đề tài .6 Nội dung của luận văn .7 Ý nghĩa của đề tài.
PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ PHẦN MỀM COMSOL MULTIPHYSICS .1 Giới thiệu về phƣơng pháp Phần tử hữu hạn .2 Các bƣớc cơ bản trong thủ tục phân tích FEM .1 Rời rạc hoá miền khảo sát .2 Lựa chọn hàm đa thức .3 Thiết lập hệ phƣơng trình .4 Giải hệ phƣơng trình .5 Lƣới thích nghi 2D.2 Giải thuật tạo lƣới Delaunay thích nghi .3 Ƣu điểm của lƣới Delaunay thích nghi .6 Giới thiệu phần mềm COMSOL MULTIPHYSICS. TRƢỜNG NHIỆT VÀ KHẢ NĂNG MANG TẢI CỦA DÂY DẪN TRÊN KHÔNG .1 Phƣơng trình truyền nhiệt của dây dẫn trên không.2 Khả năng mang tải của dây dẫn trên không.1 Nhiệt do hiệu ứng Joule qj .2 Nhiệt sinh ra do hấp thụ của bề mặt dây dẫn qs .3 Tổn thất nhiệt bức xạ qr .4 Tổn thất nhiệt đối lƣu qc .1 Tổn thất nhiệt đối lƣu tự nhiên.2 Tổn thất nhiệt đối lƣu cƣỡng bức. TÍNH TOÁN TRƢỜNG NHIỆT VÀ KHẢ NĂNG MANG TẢI CỦA ĐƢỜNG DÂY TRÊN KHÔNG .1 Tính toán trƣờng nhiệt quanh dây dẫn bằng Comsol Multiphysics (FEM) .1 Trƣờng hợp một.2 Trƣờng hợp hai .2 Khả năng mang tải của dây dẫn trên không dƣới tác động của điều kiện môi trƣờng và điều kiện vật lý.1 Ảnh hƣởng của tốc độ gió và hƣớng gió .2 Ảnh hƣởng của nhiệt độ môi trƣờng.3 Ảnh hƣởng của hệ số bức xạ ε .3 Trƣờng nhiệt của dây dẫn dƣới ảnh hƣởng của điều kiện môi trƣờng và dòng tải.4 Tính toán khả năng mang tải của dây dẫn trên không theo điều kiện khí hậu thực tế ở Việt Nam.1 Khả năng mang tải của dây dẫn trên không dƣới ảnh hƣởng của khí hậu miền Bắc.2 Khả năng mang tải của dây dẫn trên không dƣới ảnh hƣởng của khí hậu miền Trung.3 Khả năng mang tải của dây dẫn trên không dƣới ảnh hƣởng của khí hậu miền Nam .4 Nhận xét về khả năng mang tải của đƣờng dây trên không dƣới ảnh hƣởng bởi khí hậu của các vùng miền của Việt Nam. KẾT LUẬN, HẠN CHẾ VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .2 Hạn chế của đề tài.3 Hƣớng phát triển của đề tài.107 Tài liệu tham khảo .93 ix CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN AAAC - All Aluminium Alloy Conductors ACSR - Aluminium Conductor Steel Reinforced CFD - Computational Fluid Dynamics CIGRE - International Council on Large Electric Systems (Cons eil International des Grands Reseaux Électriques) DG - Distributed Generation BEM- Boundary Element Method FDM - Finite Difference Method FEM - Finite Element Method FVM - Finite Volume Method HSM - Hybrid Sag Method IEC - International Electrotechnical Commission IEEE - The Institute of Electrica l and Electronics Engineers OHL - Overhead Lines NSM - Numerical Sag Method QCXDVN – Quy Chuẫn Xây Dựng Của Việt Nam SAW - Surface Acoustic Wave -10- DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1 Sự hình thành độ võng của 1 khoảng vƣợt.2 So sánh giữa NSM và HSM cho dây dẫn Drake với đƣờng kính ngoài 28.1 Lƣu đồ giải ptvp bằng FEM .2 Các phần tử cơ bản: a) 1D, b) 2D, c) 3D .3 Rời rạc hoá miền khảo sát bởi các phần tử 1D là đoạn thẳng .4 Hàm “hình dáng” của phần tử e .5 Lời giải FEM và lời giải giải tích của Ví dụ 01 .6 Phần tử tam giác trong lƣới 2D .7 Hàm hình dáng tại đỉnh 1 của phần tử tam giác.8 Lời giải FEM và lời giải giải tích của Ví dụ 02 .9 Minh hoạ Delaunay và Locally Delaunay.10 Lƣới tam giác Delaunay .11 Miền khảo sát của bài toán Poisson .12 Rời rạc hoá miền khảo sát bài toán Poisson .13 Lời giải phƣơng trình Poisson .14 Giao diện chính của Comsol Multiphysics v 3.15 Rời rạc hoá miền khảo sát bài toán Poisson trong Comsol .16 Mô phỏng bài toán Poisson trong Comsol Multyphisics .1 Khối vi phân trong phân tích sự dẫn nhiệt .1 Miền không khí khảo sát xung quanh dây dẫn.2: Rời rạc hóa miền khảo sát bằng miền con dây dẫn A1/Sxy bởi COMSOL .3: phân bố nhiệt xung quanh dây dẫn A1/Sxy bằng FEM .4 Đồ thị nhiệt độ khi cắt theo phƣơng x.5 Đồ thị nhiệt độ khi cắt theo phƣơng y.6: Rời rạc hóa miền khảo sát bằng miền con dây dẫn Drake .7: phân bố nhiệt xung quanh dây dẫn Drake bằng FEM .8 Đồ thị nhiệt độ khi cắt ngang bề mặt dây Drake .9: Rời rạc hóa miền khảo sát bằng miền con dây dẫn A3-400 .10: phân bố nhiệt xung quanh dây dẫn bằng FEM .11 Đồ thị nhiệt độ khi cắt ngang bề mặt dây .12 Đồ thị dòng tải khi thay đổi tốc độ gió .13 Đồ thị dòng tải khi thay đổi hƣớng gió .14 Đồ thị dòng tải khi nhiệt độ môi trƣờng và tốc độ gió thay đổi.15 Đồ thị dòng tải khi hệ số bức xạ thay đổi .16 Rời rạc hóa miền khảo sát cho trƣờng hợp một bởi FEM .17: phân bố nhiệt xung quanh dây dẫn cho trƣờng hợp 1 .18: Đồ thị nhiệt độ khi cắt ngang bề mặt dây dẫn cho trƣờng hợp 1 .19: phân bố nhiệt xung quanh dây dẫn ACSR 240/32 bằng FEM .20 Đồ thị nhiệt độ khi cắt ngang miền khảo sát theo phƣơng x .21 Khả năng mang tải của dây dẫn ACSR 240/32 với điều kiện khí hậu miền Bắc .22 Khả năng mang tải của dây dẫn ACSR 240/32 với điều kiện khí hậu miền Trung .23 Khả năng mang tải của dây dẫn ACSR 240/32 với điều kiện khí hậu miền Nam .